Betonkeverékek egyszerûsített alapmodellje és alkalmazása 4. rész: Alakváltozást befolyásoló tényezõk

Átírás

1 Kutatás-fejlesztés Betonkeverékek egyszerûsített alapmodellje és alkalmazása 4. rész: Alakváltozást befolyásoló tényezõk PEKÁR GYULA Ebben a részben a laboratóriumi kísérletek során készült kisméretû próbahasábok alakváltozásainak vizsgálati eredményeit ismertetjük, és az elemzés során össze - függéseket keresünk a korábbi részekben már ismertetett betonösszetételi állapotjelzõk és a megszilárdult betonok alakváltozása között. Érdekes párhuzam mutatkozik a szilárdságot és az alakváltozást befolyásoló hatásokban, és lehetõség nyílik arra, hogy az alakváltozás is elõre becsülhetõ a betonösszetételi állapotjelzõkbõl. 1. Az alakváltozás vizsgálata a la - boratóriumi kísérletsorozat során Az ÉMI Nonprofit Kft. által ben indított belső laboratóriumi kísér - letsorozatot során Graf-Kaufmannké szülékkel alakváltozási vizsgálatokat is végeztünk. A betonkeverékek össze - tételei néhány kivételtől eltekintve megegyeztek a cikksorozat 3. részében [1] már említett, D max 8mm szem - nagy ságú adalékanyagból készült beton - keverékek összetételeivel. Kiegészítőként bazaltlisztet alkalmaztunk. Az értékelésbe vont keverékek betonösszetételi álla - potjelzőit a 9. táblázat tartalmazza. A keverékekből 3-3 darabos so - rozatban mm névleges méretű mintahasábokat készítettünk, amelyek véglapjaiba még friss álla - potban bennmaradó, sárgaréz anya - gú mérőtüskéket helyeztünk el. A hasábokat 1 napos korig nedves ruhával letakart zsaluban tartottuk, majd 1 napos korban kizsaluztuk. Ekkor megmértük a próbatestek in - duló tömegeit és felvettük a viszo - nyítási alaphossz (névlegesen 160 mm + kiálló mérőtüske) pontos méreteit. Tömegveszteség illetve alakváltozás ese - tén tehát az 1 napos korban kizsalu - zott próbatest tömegét illetve méretét tekintettük 100%-nak. Ezek után a min - tákat 7 napos korig víz alatt érleltük, utána pedig laborkörül mények között tároltuk. A hőmérsék leteket és pára - tartalmakat figyelemmel kísértük és feljegyeztük. Rendszeres időközönként, azaz 1, 7, 14, 21, 28, 56, 112, naponként mértük a hasábok tömegés hosszváltozásait, amelyek alapján számolással határoztuk meg a száradás és alakváltozás relatív mér tékét. A tömeg- és alakváltozást elő jelhelyesen %-ban fejeztük ki (negatív szám: tömeg - csökkenés és zsugorodás, pozitív szám: tömegnövekedés és duzzadás). E sorok írásakor a 112 napos vizs - gálatokon vagyunk túl. Joggal vetődik föl a kérdés, hogy 112 napos korban vajon mely szakaszában tart a beton terheletlen állapotban bekövetkező alakváltozási folyamata? A kérdésre egyértelmű választ csak mérési ered - mények birtokában lehet adni, ezért is szeretnénk a saját kísérletekhez kap - csolódó méréseket tovább folytatni a minták egy éves korán túl is. Ami azonban eddigi méréseinkből is már látható, azt a 16. ábra diagramján szemléltetjük. A diagramban a CEM I 42,5 N cementből készült hasábok alakváltozásait ábrázoltuk 1, 14, 21, 28, 56 és 112 napos korban (kihagyva a 7 napos korban mért duzzadás értékeit), ezúttal azonban ellentét - ÉMI-kísérletek, Alakváltozási vizsgálatokba be - vont cementfajták Betonösszetételi (strukturális) állapotjelzõk p x χ c λ AD l hagyo - mányos v/c a* Egyéb jellemzõk f a ** f z *** m 2 /m 3 m 2 /m 3 f z /f a c/r**** D max mm CEM I 42,5 N cementes keverékek 27 sorozat CEM III/B 32,5 N-S cementes keverékek 25 sorozat min. 0,098 0,690 0,379 0,000 0,000 0,251 0, ,186E ,66% 4 max. 0,472 2,633 0,988 0,049 0,202 1,624 0, ,352E ,26% 8 átlag 0,293 1,430 0,762 0,016 0,043 0,665 0, ,248E ,48% 8 szórás 0,082 0,572 0,214 0,019 0,036 0,315 0, ,522E ,76% 1 min. 0,203 0,684 0,084 0,000 0,000 0,252 0, ,352E ,54% 4 max. 0,465 2,583 0,988 0,051 0,064 3,758 0, ,422E ,69% 8 átlag 0,294 1,454 0,657 0,014 0,038 1,177 0, ,388E ,97% 8 szórás 0,072 0,555 0,320 0,019 0,016 0,981 0, ,773E ,67% 1 9. táblázat Az ÉMI évi alakváltozási vizsgálatai során értékelésbe vont keverékek betonösszetételi állapotjelzői (p: péparány a betonban, x: folyadék térfogataránya a pépporhoz képest, χ c : cement térfogataránya a pépporban, λ AD : adalékszer térfogataránya a pépporhoz, l: levegő térfogataránya a betonban), és egyéb adatai (*a: a betonkeverékben lévő adalékanyag térfogataránya, **f a : az adalékanyag [Φ>0,063 mm] térfogati fajlagos felülete Kausay eljárása szerint [2] számítva, ***f z : a péppor [Φ<0,063 mm] térfogati fajlagos felülete,****c/r: a cement tömegaránya a betonban) 19

2 16. ábra A CEM I 32,5 N cementből készült hasábok alakváltozási folyamata logaritmikus időskálán szemléltetve, ha a hasábok 112 napos méreteit tekintjük 100%-nak. A nyilakkal az eddigi trend folytatódása esetén az 1000 napos korra prognosztizálható alakváltozás lehetséges értékeit jelöljük. A? utalás arra, hogy minden prognózist csak valós mérési eredmények hitelesíthetnek. ben az előző bekezdésben írottakkal nem az 1 napos, hanem a 112 napos korban mért hosszúságot tekintettük viszonyítási alapnak (100%-nak), és ehhez képest számoltuk ki és ábrá - zoltuk a hasábok múltbeli relatív hosszúságait. A görbesereg a 112 napos korban értelemszerűen egyetlen pontba (100%) csomósodik, mintegy látványossá téve az időben előtte zajló alakváltozási folyamat kusza dinami - káját, sejtetve az utána várható alak - változás lehetséges mértékeit a logaritmikus léptékű időskálán. Az ábra alapján az eddigi 112 nap alatt az 1000 nap időtartamra vetíthető zsu - gorodási folyamatnak már legalább 2/3-a lejátszódott és felmerül egy sejtés: az alakváltozás mértéke az egyéb körülmények azonossága esetén az idő logaritmusával (vagy annak valamely hatványával) arányos, amit az eredmények statisztikai elemzése erő - síthet vagy cáfolhat meg. 2. A betonok alakváltozását befolyásoló tényezők a szakirodalomban A vonatkozó szakirodalom átfogó elemzésére ezúttal sem vállalkozha - tunk. Az általunk vizsgált alakváltozás a klasszikusan elfogadott nézetek alapján a betonok ún. száradási zsugorodásának a kategóriájába 20 A hasábok relatív hosszai a 112 napos hosszhoz képest CEM I 42,5 N keverékekbõl készült mintahasábok relatív méreteinek alakulása az idõ függvényében - ÉMI, ,09% 100,08% 100,07% 100,06% 100,05% 100,04% 100,03% 100,02% 100,01% 100,00% 99,99% 99,98% 99,97% 99,96% idõ [nap] sorolható, amelyre vonatkozóan az egyetemi tananyagokból [3] [4], és a MÉASZ ME ben irányelvből tájékozódhatunk [5]. Két megállapítást szeretnék felidézni, az egyik Ujhelyi Jánostól szár mazik [6]: A beton összetételét te kintve a zsugorodás akkor növekszik, ha nő a cement és a víz adagolása, nő az ada - lékanyag finomrészeinek men nyisége (kiemelés tőlem: P. Gy.). Ezek nél a hatásoknál azonban sokkal jelentő - sebbek a külső körülmények [7]: a tárolás módja és körülményei. A másik, Erdélyi Attilától származó idézet a évi Cement-Beton Zsebkönyv fejezetében konkrét értékhatárokat is említ [8]: A v/c csökkentése tehát a legjobb módja az ε cds száradási zsugorodás mérséklésé - nek, - a cementtartalom visszafogásával együtt. Ha v/c = 0,3-0,35 és c = 450 kg/m 3, akkor 0,3-0,4 lesz a t= idő re várható teljes száradási zsugo - rodás. Saját kísérleteink csak egy részterü - le tet érintettek, és óhatatlanul is mindössze néhány betonalkotó anyag hatásának vizsgálatára terjedhettek ki, azonban az célunk volt, hogy frissen mért tényadatokkal nyerjünk meg - erő sítést az irodalmi közlésekre. Mindezek mellett kíváncsiak voltunk arra is, hogy igazolható-e betonössze - tételi állapotjelzők alakváltozásra gyakorolt hatása, és ha igen, milyen módon írhatók le ezek a hatások. Ebbéli elvárásainkat a kísérleti beállí - tások viszonylagos nagy számára ala - poztuk, amellett, hogy a minták tárolási módjában és a külső körül - mények biztosításában törekedtünk az azonos feltételek biztosítására. 3. Az alakváltozási eredmények értékelése A vizsgálati eredményeket kétféle megközelítésből dolgoztuk fel, csak - úgy, mint a nyomószilárdság esetében: végigfuttattuk a számításokat a betonösszetételi állapotjelzőkre (p, x, χ c ), és a hagyományos hatékony v/c tényezőre is (utóbbi esetben a c/r cement-tömegarány és a χ c változókkal együtt). Mindezeken túlmenően értékelni kívántuk az adalékanyagok finomrésztartalmának a hatását is, ezért további változóként mindkét esetben beve - zettük az f z /f a arányt is, amely nem más, mint a keverékben lévő péppor és adalékanyag térfogati fajlagos felületeinek aránya. Az adalékanyagok térfogati fajlagos felületeit lényegében Kausay eljárása szerint [2] a szem - megoszlásokból számoltuk, azzal az eltéréssel, hogy az alaktényezőt 5-re vettük (ennek indoklását és a számítás menetét itt nem ismertetjük). Pép - porok esetében a Blaine-eljárással kapott eredményekből számítottuk a térfogati fajlagos felületeket. A faj - lagos felületek arányainak gyakorlati jelentése van, ezt szeretnénk kihangsú - lyozni. Közel azonos őrlésfinomságú cement + kiegészítőanyag pépporkeverék és D max 8 mm adalékanyag esetén, ha f z /f a <140, akkor az ada - lékanyag homokdús, ha 140 f z /f a < 190, akkor közepes homoktartal - mú, ha 190 f z /f a < 450, akkor homokszegény, ha pedig 450 f z /f a, akkor homokhiányos. A térfogati fajlagos felületek aránya fontos ténye - ző ként jöhet számításba nem csak a zsugorodás, de a frissbeton konzisz - tenciára gyakorolt hatás szempontjá - ból is, amiről a folytatásban még lesz szó ÁPRILIS ( XIX. ÉVF. 4. SZÁM ( BETON

3 Végezetül tekintettel arra, hogy ugyanazon mintadarabokat különbö - ző időpontokban is mértük önként adódott, hogy a beton korát (t [nap]) is változóként vegyük figyelembe már csak a 16. ábra kapcsán megfogal - mazódott sejtés leellenőrzése végett is Alakváltozás függése a beton - összetételi állapotjelzőktől Itt nem részletezendő számítások után a kísérleti keverékekből készült hasábok alakváltozásának (száradási zsugorodásának) közelítő becslésére a (35) összefüggést találtuk jól illesz - kedőnek (helykímélés végett most csak a szorzótényezős-hatványkitevős formát közöljük, a logaritmikus alakot nem): nx np nf 1 x p fz nt cds t A ln t n c a fa (35) ahol ε cds (t) a hasábok száradási alak - változásának várható értéke %-ban, 28 t 112 napos korban, A kísérleti állandó, x a folyadék-por térfogati tényező a pépben, nx az (1+x) kitevője, χ c - a cement térfogataránya a pép - porban, n χ a χ c kitevője, p/a - a pép és adalékanyag térfogat - aránya a betonban, n p a p/a kitevője, f z /f a - a péppor és adalékanyag térfo - gati felületének aránya, n f az f kitevője, t [nap] - a beton kora a 28 t 112 nap értelmezési tartományban, n t az lnt kitevője Alakváltozás függése a v/c té - nyezőtől és a cementtartalomtól Ha x helyett v/c-t, p/a helyett pedig a c/r cementarányt vezetjük be vál - tozóként, akkor az eredmények érté - keléséből a (36) szorzótényezős-kitevős alakú összefüggéshez jutunk: nv nc v c c R z nt cds t A ln t n c fa (36) ahol v/c a hagyományos víz-cement tényező, n v a v/c kitevője, c/r a cement tömegaránya a beton - ban, n c a c/r kitevője (R beton test - sűrűség), a többi jelölés megegyezik a (35) képlet jelölésével. A 10. táblázatban összefoglaljuk a (36) képlet paramétereit a két vizsgált cementfajtára, a 9. táblázat szerinti értelmezési tartományokban Az alakváltozás kétfajta becs - lé si módszerének összehason - lítása A fent ismertetett két becslési mód szer statisztikai megbízhatóság szempontjából gyakorlatilag egyenér - té kű, amint azt a 10. táblázat adataiból láthatjuk. Ha a 28, 56 és 112 napos alakválto - zások becsült és mért értékeit ábrá - zoljuk az összes hasáb esetén, akkor nem találunk lényeges eltérést a két becslési módszer között (lásd 17. ábrát). A két módszer között statisz - tikai értelemben nem látszik különb - ség. 4. Néhány érdekes következtetés a vizsgált cementfajták alakváltozási tulajdonságairól Ha a CEM III/B 32,5 N-S cemen - tes keverékek 9. táblázat szerinti vizsgálati tartományára becslési no - mo gramot készítünk (18. ábra), ahol a szintvonalak közötti azonos tónusú sávok a (közel) azonos mértékű alakváltozást jelölik, akkor láthatjuk, nf f Egyenletek paraméterei hogy a x-χ c -p/a-alapú becslés alacsony χ c -értékek esetén egyre kevésbé ér - zékeny az x folyadék-por térfogati tényező növelésére, viszont annál érzékenyebb a χ c csökkenésére, azaz a kiegészítőanyag-tartalom növelésére. A nomogram szintvonalai ebben a tartományban besűrűsödnek, ami a becslés instabilitására utal. Az alak - változás becslésére ezért a v/c-c/r-χ c - alapú becslés látszik stabilabbnak (19. ábra). Ez furcsa fordított analógiá - ban áll a szilárdságbecsléssel, amikor éppen a v/c-c/r-alapú becslésnél ta - pasztaltuk a nomogramok szintvo - nalainak a besűrűsödését, és abban az esetben a p-x-χ c -alapú becslés látszott stabilabbnak. Előzőek más hangsúlyok mentén is megfogalmazhatók: a kiegészítőanyagtartalom növelése a zsugorodás ki - sebb-nagyobb mértékű növekedésével jár. Ez különösen a 18. ábrából egy - értelmű: extrém alacsony χ c értékekre (tehát igen magas kiegészítőanyagtartalomra) már igen tetemes mérté - kűre, akár -0,10%-ra is rúghat a 112 napos alakváltozás mértéke! A kiegé - szí tőanyag-tartalom növelése a CEM I 42,5 N cementes keverékek esetén is kimutathatóan növeli a zsugorodást. Érdekesnek mutatkozik a homok - tar talom hatása is. A 20. és 21. ábrákon láthatjuk, hogy ha a 18. és 19. ábrák keverékeihez képest jelentősen megnövekszik a homoktartalom, tehát ha az f z /f a =183 arány f z /f a =119-re csökken, akkor a CEM III/B 32,5 N-S cementekből készült keverékek zsu - gorodásai jelentős mértékben meg - nőnek; extrém alacsony χ c értékekre (azaz magas kiegészítőanyag-tartalom statisztikai adatok χ c -x-p alapú becslés (35. képlet) cementfajta A n t n χ n x n p n f R 2 Becslési hiba szórása CEM I 42,5 N -9,8393x10-5 0,8570 0,3432 0,2234 0,4424 0,0700 0,8126 0,0053% CEM III/B 32,5 N-S -7,1735x10-3 0,7172 0,3841 0,2849 0,1056-0,8021 0,8170 0,0108% v/c-c/r alapú becslés (36. képlet) cementfajta A n t n χ n v n c n f R 2 Becslési hiba szórása CEM I 42,5 N -3,6727x10-4 0,8579 0,5359 0,3942 0,5425 0,0313 0,7890 0,0057% CEM III/B 32,5 N-S -1,0940x10-2 0,6673 0,2797 0,2881 0,2235-0,6932 0,8194 0,0107% 10. táblázat A (35) és (36) becslőképletek paraméterei a vizsgált két cementfajtára 21

4 CEM III/B 32,5 N-S cementbõl készült próbatestek számított és mért alakváltozásai közötti összefüggés a 28, 56 és 112 napos minták esetén - ÉMI, ,16% -0,14% -0,12% -0,10% -0,08% -0,06% -0,04% -0,02% 0,00% 0,00% mért alakváltozás R 2 = 0,8170 esetén) akár a -0,15% mértéket is el - érheti az alakváltozás mértéke! Ugyan - akkor a CEM I 42,5 N ce mentből számított alakváltozás R 2 = 0,8194 p-x-khic alapú becslés v/c-c/r-khic alapú becslés -0,02% -0,04% -0,06% -0,08% -0,10% -0,12% -0,14% -0,16% -0,18% 17. ábra A CEM III/B 32,5 N-S cementből készült próbatestek 28, 56 és 112 napos alakváltozásainak (35) illetve (36) képletekből becsült értékei és a ténylegesen mért értékek között, az ÉMI évi kísérletei során készült keverékek zsugorodá sát az általunk vizsgált tartományban a homoktartalom változása csak nagyon kis mértékben befolyásolja, amit az n f kitevő 0-hoz közel eső értéke is kifejez. Ha a két vizsgált cementfajta alak - változási tulajdonságait kívánjuk össze - hasonlítani, akkor érdemes megnézni a gyakorlatilag kiegészítőanyag nélküli (χ c =0,99) és közepes homoktartalmú (f z /f a = ) keverékeket abban a tartományban, amelyben mindkét ce - mentből volt mérésünk (lásd 22. és 23. ábra). Látható, hogy ebben a tarto - mányban a CEM III/B 32,5 N-S cementes keverékek valamelyest ke - vésbé zsugorodnak a CEM I 42,5 N- es keverékekhez képest. Ha azonban 15 tf% (inert kőliszt) kiegészítő anya got teszünk a pépporba, ráadásul megnöveljük az adalékanyag homok tartalmát is (f z /f a = ), akkor fordul a kocka : bár nagy cementtar talmak esetén még csekély a 18. ábra CEM III/B 32,5 N-S cementtel készült keverékek x-χ c -p/a-alapú alakváltozás-becslő nomogramja t=112 napos korban, p=0,294 és f z /f a =183 (közepes homoktartalmú 19. ábra CEM III/B 32,5 N-S cementtel készült keverékek korban, χ c =0,99 és f z /f a =183 (tiszta cementes péppor, közepes homoktartalmú 20. ábra CEM III/B 32,5 N-S cementtel készült keverékek x-χ c -p/a-alapú alakváltozás-becslő nomogramja t=112 napos korban, p=0,294 és f z /f a =119 (homokdús adalékanyag) esetén 21. ábra CEM III/B 32,5 N-S cementtel készült keverékek korban, χ c =0,99 és f z /f a =119 (tiszta cementes péppor, homokdús ÁPRILIS ( XIX. ÉVF. 4. SZÁM ( BETON

5 22. ábra CEM III/B 32,5 N-S cementtel készült keverékek korban, χ c =0,99 és f z /f a =183 (tiszta cementes péppor, közepes homoktartalmú 23. ábra CEM I 42,5 N cementtel készült keverékek korban, χ c =0,99 és f z /f a =186 (tiszta cementes péppor, közepes homoktartalmú 24. ábra CEM III/B 32,5 N-S cementtel készült keverékek korban, χ c =0,85 és f z /f a =119 (15 tf% kiegészítő, homokdús 25. ábra CEM I 42,5 N cementtel készült keverékek korban, χ c =0,85 és f z /f a =111 (15 tf% kiegészítő, homokdús különbség a két cementfajta zsugo - rodása között, de alacsonyabb cement - adagolások ese tén már határo zottan a CEM I 42,5 N- es keverékek mutatnak kisebb zsu go rodást (lásd 24. és 25. ábrák). Ha a szakirodalomból idézett meg - állapításokkal (2. pont) vetjük össze eredményeinket, akkor a lényeget illetően jó egyezőséget tapasztalunk, (ennek részletezése már nem fér e cikk kereteibe), ugyanakkor újszerű tények - re is rámutattunk a kiegészítőanyagok alakváltozásra gyakorolt hatását illető - en, illetve az adalékanyagok homok - tartalma hatásának számszerűsítése terén. A betonösszetételi állapotjelzők hatása a megszilárdult betonok alak - változására markánsan igazolható, ám számos mérés lesz szükséges a jövő - ben, hogy a különböző tulajdonságú betonalkotók (cementek, kiegészítők, adalékanyagok, zsugorodáscsökkentő szerek, stb.) illetve a belőlük készült keverékek alakváltozási viselkedését a kor követelményeihez igazodó alapos - sággal feltárhassuk. Felhasznált irodalom [1] Pekár Gy.: Betonkeverékek egyszerűsí - tett alapmodellje és alkalmazása 3. rész: Nyomószilárdságot befolyásoló tényezők, Beton XIX. évf. 2. szám február, pp [2] Kausay T: Beton adalékanyagok szem - megoszlási jellemzőinek számítása gra foanalitikus módon. Vasbetonépí - tés. VI. évf. 1. szám pp [3] Dr. Balázs György: Építőanyagok és kémia. Tankönyvkiadó, Budapest, [4] Molnár V.: ÉPÍTŐANYAGOK II. Széchenyi István Egyetem, Győr, Prezentációs anyag, készült a HEFOP P /1.0 támogatá - sával. [5] MÉASZ ME-04.19:1995 Műszaki elő - írás beton és vasbeton készítésére. 16. fejezet. Kis zsugorodású és csekély kúszású betonok. Magyar Építőanyag - ipari Szövetség, Budapest, [6] Ujhelyi J.: Könnyűadalékanyagos be - ton alkalmazása feszített szerkezetek - hez. Magyar Építőipar pp [7] Rothfuchs G.: Über die Schwindung von Leichtbetonsteinen. Betonstein Zeitung, I. [8] Cement-Beton Zsebkönyv 2007., szer - kesztette: Kovács József fejezet: Kis zsugorodású és csekély kúszású betonok. pp Duna-Dráva Cement Kft., Vác. HELYREIGAZÍTÁS A februári számban, Pe kár Gyula cikksorozatának har ma dik részé - ben, a 8. táblázat fejlécében felcse - rélődött az álla potjelzők jelölése. A helyes sor rend: χ c, x, p, l, λ AD. A hibáért szíves elnézésüket kérjük. 23